عنوان پایان‌نامه
اعمال مشخصه یابی و بررسی خواص سایش و خوردگی پوشش های الکترولس نانو کامپوزیتی Ni.B.B۴C
- رشته تحصیلی
- مهندسی متالورژی و مواد
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 1336;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79432;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 1336;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79432
- تاریخ دفاع
- ۰۴ بهمن ۱۳۹۴
- دانشجو
- فاطمه مداح
- استاد راهنما
- احمدعلی آماده, چنگیز دهقانیان
- چکیده
- خوردگی و سایش به عنوان دو عامل اصلی تخریب قطعات صنعتی و کاهش بازده در صنایع مطرح هستند. در صنایعی مثل فراوری مواد معدنی و شیمیایی سطوح قطعات، غالباً در معرض تنش‌های مکانیکی و یا محلول‌های خورنده قرار دارند. عموماً برای بهبود ویژگی‌های سطوح، جلوگیری از تخریب مواد و کنترل رفتار سایشی و خوردگی آن‌ها روی سطح مواد پوشش‌هایی اعمال می‌شود. در میان فرایندهای پوشش‌دهی، پوشش‌کاری الکترولس بدون استفاده از تجهیزات خاص قابلیت تولید پوشش‌های سخت و مقاوم به سایش را داراست. در میان پوشش‌های الکترولس، پوشش‌های الکترولس نیکل به خاطر ایجاد سطوح مقاوم به سایش و خوردگی اهمیت تجاری زیادی یافته‌اند. در میان پوشش‌های الکترولس سخت، پوشش‌های الکترولس نیکل-بور (Ni-B) نسبت به پوشش‌های کروم سخت و الکترولس نیکل-فسفر (Ni-P) سختی و مقاومت سایشی بیشتری دارند. از سوی دیگر بهبود استحکام و تأثیرپذیری ویژگی‌های پوشش‌ها در اثر پراکندگی ذرات میکرومتری یا کوچکتر از آن درون پوشش‌ها امری شناخته شده است. در میان ذرات تقویت کننده، B4C به دلیل خواص ویژه‌ای مثل سختی و مقاومت خراشی بالا، مقاومت بالا در برابر مواد شیمیایی، نقطه‌ذوب بالا و پایداری حرارتی زیاد، مقاومت به ضربه بالا و وزن مخصوص کم برای تولید پوشش‌های کامپوزیتی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در تحقیق حاضر پوشش‌های الکترولس کامپوزیتی Ni-B-nano B4C روی پایه‌هایی از جنس فولاد کربن متوسط (Ck45) اعمال شدند. برای بهبود توزیع ذرات درون پوشش، از سرفکتانت سدیم دودسیل سولفات (SDS) در حمام آبکاری استفاده شد. برای مقایسه بین خواص پوشش‌ها سه دسته پوشش از سه حمام بدون B4C، حاوی B4C و حاوی B4C به‌علاوه‌ی SDS تولید شدند و با نام‌های Ni-B، Ni-B-B4C و Ni-B-B4C(S) نام‌گذاری شدند. پس از پوشش‌دهی، مورفولوژی، ترکیب شیمیایی، ساختار کریستالی، زبری، میکروسختی و همچنین رفتار سایشی و خوردگی پوشش‌ها مورد بررسی قرار گرفتند. رفتار سایشی پوشش‌ها در حالت خشک و با استفاده از دستگاه سایش گوی روی دیسک بررسی شد. نمونه های پوشش‌داده شده به عنوان دیسک و گوی مقابل از جنس آلومینا بودند. با هدف بررسی تأثیر شرایط سایش (نیرو و مسافت لغزش) روی رفتار سایشی و عمر دوام پوشش‌ها، رفتار سایشی در نیروها (5، 20، 40 و N 60) و مسافت‌های لغزش متفاوت (100، 300، 500، m 700 و برای پوشش‌های Ni-B-B4C تا مسافت m 1000) مورد بررسی قرار گرفت. همچنین مکانیزم‌های سایش در شرایط سایش مختلف مورد بررسی قرار گرفتند. یکی از اهداف اصلی این تحقیق، بررسی احتمال وقوع واکنش‌های تریبوشیمیایی مابین سطوح سایش در تریبوسیستم Ni-B/Al2O3 بود. مقاومت به خوردگی پوشش‌ها از طریق آزمایش‌های الکتروشیمیایی پلاریزاسیون پتانسیودینامیک و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که میزان بور در پوشش Ni-B، wt.% 5/6 است و ساختار کریستالی پوشش در حد فاصل ساختارهای کاملاً آمورف و نیمه آمورف قرار دارد. در اثر هم‌رسوبی نانوذرات در پوشش، میزان بور در پوشش‌های Ni-B-B4C و Ni-B-B4C(S) از wt.% 5/6 به ترتیب به wt.% 0/6 و wt.% 0/5 کاهش یافت. افزایش بلورینگی در ساختار کریستالی پوشش‌های Ni-B-B4C(S) اتفاق افتاد در حالی که پوشش‌های Ni-B-B4C چنین رفتاری نداشتند. مورفولوژی سطح پوشش‌ها شکلی گل‌کلمی و ساختاری گره‌ای داشت که منتج از رشد ستونی دانه‌ها است. هم‌رسوبی نانوذرات به ویژه در حضور SDS باعث تراکم خوشه‌ها و کاهش سایز گره‌ها شد. همچنین افزودن SDS باعث بهبود توزیع نانوذرات شد اما حفره‌های ریزی در ساختار پوشش ایجاد شد که باعث تضعیف آن شد. طول عمر پوشش‌ها به نیروی عمودی اعمالی وابسته بود و با افزایش نیروی اعمالی عمر پوشش‌ها کاهش یافت. مشخص شد هم‌رسوبی ذرات B4C در پوشش در صورت حضور سرفکتانت SDS در محلول، تأثیری بر طول عمر سایشی پوشش‌ها نداشت در حالی که فقدان سرفکتانت باعث شد طول عمر پوشش کامپوزیتی 2 تا 3/2 برابر پوشش Ni-B شود. مکانیزم غالب سایش پوشش Ni-B با تغییر مسافت لغزش، تغییر کرد اما مکانیزم غالب سایش پوشش‌های کامپوزیتی، عموماً مخلوط سایش چسبان و خراشان بود. حین سایش، ساختار پوشش Ni-B از آمورف به کریستالی تغییر کرد و بین نیکل از سطح پوشش و آلومینا از سطح مقابل واکنش تریبوشیمیایی اتفاق افتاد، آلومینا احیا شد و ترکیبات بین‌فلزی Ni-Al به عنوان محصولات واکنش‌های تریبوشیمیایی در سطح سایش Ni-B تشکیل شدند. اعمال پوشش‌های کامپوزیتی Ni-B-B4C باعث افزایش قابل ملاحظه‌ی مقاومت سایشی در مقایسه با پایه‌ی فولادی شد. در نیروهای 20، 40 و N 60 نرخ سایش ویژه‌ی پایه فولادی به ترتیب 2-4/1، 5 و 5/2-2 برابر پوشش Ni-B-B4Cبود. اعمال پوشش‌های ساده و کامپوزیتی Ni-B باعث افزایش مقاومت به خوردگی فلز پایه شد. به طوری که با اعمال پوشش‌های Ni-B-B4C، Ni-B و Ni-B-B4C(S) روی فلز پایه، دانسیته جریان خوردگی به ترتیب به میزان %50، 40% و 17% کاهش یافت و مقاومت انتقال بار به ترتیب 2/3، 7/2 و 8/1 برابر شد. به عبارت دیگر اعمال پوشش‌های Ni-B-B4C(S) کمترین تأثیر مثبت را بر مقاومت به خوردگی فلز پایه داشت در حالی که اعمال پوشش Ni-B-B4C باعث بهبود قابل توجهی در مقاومت خوردگی شد. کلمات کلیدی: پوشش Ni-B، Ni-B-B4C، Ni-B-B4C(S)، پوشش کامپوزیتی، سرفکتانت، SDS، طول عمر، مقاومت سایشی، مکانیزم سایش، واکنش تریبوشیمیایی، مقاومت به خوردگی
- Abstract
- Wear and corrosion are two basic events causing destruction of industrial components and reduction of plant efficiency. In a number of industries such as mineral and chemical material processing the surface of components is commonly subjected to mechanical stresses or corrosive solutions. Generally coatings are applied on the substrate to modify the surface properties and to prevent deterioration of materials and to control wear and/or corrosion behaviors. Among the deposition processes, electroless plating is capable of producing wear resistant and hard coatings without the use of special equipment. Electroless nickel coatings have attained the greatest commercial importance among the electroless coatings due to their ability to provide a wear and corrosion resistant surfaces. Among the hard electroless coatings, electroless nickel-boron (Ni-B) coatings are harder and more wear resistant than the hard chromium and electroless nickel-phosphorous (Ni-P) coatings. It is well known that dispersion of micro and sub micro particles in a coating can lead to an improvement in strength and affect the characteristics of the coating. Because of an attractive properties of B4C such as high hardness, abrasion resistance, high resistance to chemical reagents, high melting point and high temperature stability, low specific weight and high impact resistance, B4C particles are considered to be a good candidate for production of composite coatings. In the present research, electroless Ni-B-nano B4C composite coatings were deposited on the mild carbon steel (Ck45) substrates. To improve the dispersion of codeposited particles, sodium dodecyl sulphate (SDS) was used as a surfactant in the plating bath. To make a comparison between characteristics of the coatings, three batches of the coatings were deposited on the substrates using three bath solutions containing no B4C, B4C nanoparticles and B4C nanoparticles plus SDS. The produced coatings were named as raw Ni-B, Ni-B-B4C and Ni-B-B4C(S), respectively. After deposition, morphology, chemical composition, crystal structure, roughness and microhardness as well as wear and corrosion behaviors of the coatings were evaluated. Dry sliding wear behavior of the coatings was investigated using a ball-on-disk tribometer. The coated samples were used as disks and alumina balls as counterparts. The wear behaviors were studied at different applied normal loads (5, 20, 40 and 60 N) and sliding distances (100, 300, 500, 700 m and 1000 m for Ni-B-B4C samples) with the aim to evaluate the influence of these factors on the wear behavior and endurance life of the electroless coatings. The wear mechanisms involved in the sliding contact of coated specimens were studied at different sliding conditions. One of the main objectives of the present research was to investigate the possibility of tribochemical reactions that may occur between the mating surfaces of Ni-B/Al2O3 tribosystem. The corrosion resistance of the coatings was evaluated with electrochemical measurements including potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The results showed that the boron content of Ni-B coating was 6.5 wt.% and the crystal structure of the coating was at the boundary between partially and fully amorphous. As the nanoparticles codeposited in the coatings, the amount of boron in Ni-B-B4C and Ni-B-B4C(S) coatings was decreased from 6.5 wt.% to 6.0 wt.% and 5.0 wt.%, respectively. An enhancement of crystallinity in the crystal structure of Ni-B-B4C(S) coatings occurred as a result of reduction in the boron content but Ni-B-B4C coatings did not show this behavior. The surface morphology of the coatings exhibited cauliflower type and nodular structure caused by columnar grain growth. Codeposition of nanoparticles especially in presence of SDS caused an increase in the clusters aggregation and consequently a decrease in the nodules’ size. SDS addition also improved the distribution of nanoparticles in the coating but it weakened the coating and caused production of fine pores in the coating’s structure. An endurance life of the coatings was load dependent and decreased with increasing in normal load. A comparison between Ni-B and Ni-B-B4C(S) coatings revealed that the SDS addition did not improve the endurance life of the coating, however, the endurance life of Ni-B-B4C coatings was 2-2.3-fold greater than the relevant values of Ni-B coatings. By varying the sliding condition (normal load and sliding distance), changes in dominant wear mechanism of Ni-B coatings occurred. Wear mechanism of composite coatings was almost a combination of adhesive and abrasive wear. During the wear process the structure of Ni-B coating changed from amorphous to the crystalline. In Ni-B/Al2O3 tribosystem Ni could reduce alumina to form Ni-Al intermetallic compounds. It was elucidated that tribochemical reactions between the mating surfaces were responsible for tribological behavior of Ni-B coating and unexpected wear behavior of alumina ball. Applying Ni-B-B4C coatings on the substrate caused a significant increase in the wear resistance of the substrate. At normal loads of 20, 40 and 60 N, the specific wear rates of the substrate were 1.4-2, 5, 2-2.5-fold higher than the relevant values of Ni-B-B4C composite coatings. From corrosion behavior point of view, there was a good correlation between EIS and polarization results. The results showed that applying the raw and composite Ni-B coatings may cause an increase in corrosion resistance of the substrate. The corrosion current density of Ni-B-B4C, Ni-B and Ni-B-B4C(S) coatings were respectively 50%, 40% and 17% lower than the relevant values of the substrate. Furthermore, the charge transfer resistance for Ni-B-B4C, Ni-B and Ni-B-B4C(S) coatings was respectively 3.2, 2.7 and 1.8-fold higher in comparison to the substrate. On the other hand, applying the Ni-B-B4C(S) coatings had the least beneficial effect on the substrate’s corrosion resistance while applying the Ni-B-B4C coating brought about the most significant improvement. Keywords: Ni-B coating, Ni-B-B4C, Ni-B-B4C(S), composite coating, surfactant, SDS, endurance life, wear resistance, wear mechanism, tribochemical reaction, corrosion resistance.
